同轴腔交叉耦合滤波器设计总览

同轴腔交叉耦合滤波器设计总览同轴腔交叉耦合滤波器设计总览同轴腔交叉耦合滤波器设计总览CoaxialCavityCrossCoaxialCavityCross--CouplingFiltersCouplingFiltersDesignDesign——ATutorialOverviewATutorialOverview苏涛，西安电子科技大学2007.09.14同轴腔交叉耦合滤波器设计总览1、微波腔体滤波器等效电路2、同轴腔滤波器基本原理3、交叉耦合原理4、工程化设计方法1、微波腔体滤波器等效电路g=10gN-1gNg2g1g3~g=1N+1滤波器设计，通常可以由低通原型开始，例如下图的梯形低通原型电路。实际应用中，要么都使用串联的电感，要么都使用并联的电容；避免在同一个电路中既有串联电感，又有并联电容。此时，可以使用阻抗变换器。KZLZLK2Z=IN1/4波长传输线阻抗变换器•其他形式的阻抗变换器等效电路⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡θθθθcossin1sincos00ZjjZg=10gN-1gNg2g1g3~g=1N+1g=10~11/g1gg1211/gN11ggij1使用阻抗变换器，K变换器，将并联电容变换为串联电感k01L=1L=1L=1L=1k12k23k12k01k14引入非相邻单元的交叉耦合，以实现类椭圆函数滤波器。即得到有限传输零点。K01LCLCLCLCK01K12K23K12K14•低通原型到带通滤波器变换2、同轴腔滤波器基本原理TEM模传输线：同轴线当b/a=3.6时，衰减最小（用作谐振器Q值最高）空气填充，匹配同轴线的击穿功率：第一个高次模TE模式（单位：英寸）：一段开路传输线或者短路传输线作为谐振器。¼波长谐振腔同轴线腔内导体长度确定谐振频率4glλ=当顶板与内导体上面接近时，相互间存在电容——电容加载，谐振频率下降3、交叉耦合原理概述交叉耦合的基本原理，及其在同轴腔滤波器中的应用。•有限传输零点，陡峭的带外特性•非对称响应，即满足要求又减小了复杂度、成本、尺寸和重量•交叉耦合可以实现有限传输零点腔间耦合既有磁性成分，也有电性成分；两者异相，总的耦合等于磁耦合减去电耦合；开路端调谐螺钉，增加耦合强度（磁耦合增加，电耦合减小，总耦合增加）；短路端退耦合墙，减小耦合强度（减小磁耦合）（1）相位关系同轴腔滤波器等效电路如下图。远离谐振频率（通带频率）时，各元件的表现产生了传输零点。同轴腔间的耦合一般可以用串联电感等效。设S参数S21和S11的相位分别是φ21和φ11串联电感的φ21逼近-90°串联电容的φ21逼近+90°同轴腔等效并联谐振回路的φ21关系（2）多耦合线路A.感性交叉耦合的CT结构•通道1：1-2-3;通道2：1-3•腔体1和3为公共点，相移可不计•感性耦合相移-90°•腔体2的相移，要考虑通带低端和高端•在通带低端，同相；在通带高端，异相；•准确的180°相位差在2030MHz；•近似方向区域为2020-2040MHz；•1-3之间的耦合加强，传输零点接近通带移动；耦合减弱，其远离通带；•CT结构只增加耦合，没有增加其他代价。B.容性交叉耦合的CT结构C.感性交叉耦合的CQ结构•上述感性交叉耦合的CQ结构同轴腔，无法产生有限传输零点；•虽然没有实频率零点，但是可以产生虚频率零点；•虚频率零点可以改善通带时延的平坦度，多用于超线性系统中放大器前端•对通带插耗平坦度也有影响。C.容性交叉耦合的CQ结构（3）嵌套结构问题1：嵌套结构中，为什么最长通路和最短通路不能产生有限传输零点？产生有限传输零点的条件：等幅反向通道上经过的谐振腔（失谐状态）会对幅度产生影响；即使最长通路和最短通路满足反向条件，但是其幅度差距很大，无法产生传输零点。问题2：同轴腔体之间感性耦合的其他形式环路垂直磁场，感性耦合问题3：注意分布参数的影响4、工程化设计方法1.Chebyshev滤波器设计。交叉耦合项都是零（小电容或者大电感）；2.增加交叉耦合项，此时已经调谐的Chebyshev响应会变差；3.只需调节传输零点相关腔体频率和耦合值，调好响应。例如：5腔滤波器，2-4增加交叉耦合，只需调节2和4的谐振频率，及其2-3和3-4的耦合即可。K01LCLCLCLCK01K12K23K12K14原理分析⎥⎦⎤⎢⎣⎡2222DCBA⎥⎦⎤⎢⎣⎡1111DCBA1V1I)1(1I)1(1V)2(1I)2(1V)2(2I)2(2V)1(2I)1(2V2I2V将交叉耦合滤波器等效为两个A矩阵网络并联，其中A1是原Chebyshev滤波器，A2是交叉耦合支路（大多数情况下，仅仅是一个K变换器）；在此条件下，讨论有限传输零点产生的条件，及其交叉耦合的取值。⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+=====)2(2)1(22)2(1)1(11)2(2)1(22)2(1)1(11VVVVVVIIIIII⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡22111111IVDCBAIV传输矩阵形式连接条件⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++++Δ−Δ−+++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡22211221212121211221122121122111IVCCDCDCCCCCCCCBCBDADACCCACAIV经推导得到：可见，有限传输零点产生的条件是：21CC−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡22111111IVDCBAIV传输矩阵形式K变换器传输矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡221100IVKjjKIV失谐谐振腔传输矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡2211101IVjXIVωωωω00−=X图中的Kij是耦合系数的值，应用kij表示，其值等于K变换器的值去除电抗斜率；此时，失谐电抗X相应的也去除了电抗斜率其中K01LCLCLCLCK01K12K23K12K14A.对于4腔1-4交叉耦合⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1010010100101001013434232312121111jXKjjKjXKjjKjXKjjKjXDCBA⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡0014142222KjjKDCBA得到：34231222231KKKXKjC−−=142KjC=应用前面得到的有限传输零点产生的条件：21CC−=222334231214XKKKKK−=即：例子：Ansoft巡展《RapidElliptic-FilterDesign》•fo=400MHz•BW*=15MHz•Ripple=0.08dB•Outofbandrejection20dB•fz=412MHz;388MHzg0g1g2g3g4g511.10881.30611.77030.81801.3554查表得到，归一化低通原型的元件值，带内波纹0.1dB得到耦合值如下R=0.0338K12=0.0312K23=0.0247K34=0.0312380390400410420430-50-40-30-20-10380390400410420430-1-0.8-0.6-0.4-0.2根据前面的结论，得到K14=-0.0083（-0.0078）380390400410420430-50-40-30-20-10380390400410420430-50-40-30-20-10380390400410420430-1-0.8-0.6-0.4-0.2380390400410420430-1-0.8-0.6-0.4-0.2有限传输零点产生，但带内特性等变差，需要微调。K12=0.02894K23=0.02863K34=K12K14=-0.00942QL=29.69Ansoft给出的结果K12=0.0312K23=0.0247K34=0.0312K14=-0.0083R=0.0338;QL=29.59B.对于3腔1-3交叉耦合同理得到：2231213XKKK−=注意：4腔交叉耦合常常是同步调谐，各个谐振腔的频率相同；但是3腔交叉耦合，通常是异步调谐，各个谐振腔的频率不同。